A RÉSZ ÉS AZ EGÉSZ: A RÉSZEK VISZONYA AZ EGÉSZHEZ A KÁOSZJELENSÉGEKBEN ÉS A HOLOGRAMBAN

Hasonló dokumentumok
FRAKTÁLOK ÉS A KÁOSZ

Előszó. International Young Physicists' Tournament (IYPT) Karcolt hologram #5 IYPT felirat karcolása D'Intino Eugenio

Georg Cantor (1883) vezette be Henry John Stephen Smith fedezte fel 1875-ben. van struktúrája elemi kis skálákon is önhasonló

Modern Fizika Laboratórium Fizika és Matematika BSc 14. Holográfia

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Fraktálok. Löwy Dániel Hints Miklós

HOLOGRAFIKUS TEREMTÉS. Hologram Univerzum: az Univerzum minden része tartalmazza az egész képmását.

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

Rezgés tesztek. 8. Egy rugó által létrehozott harmonikus rezgés esetén melyik állítás nem igaz?

Leképezések. Leképezések tulajdonságai. Számosságok.

2014. szeptember 24. és 26. Dr. Vincze Szilvia

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

Példa a report dokumentumosztály használatára

A lézer alapjairól (az iskolában)

Összefoglaló kérdések fizikából I. Mechanika

Matematika III. 2. Eseményalgebra Prof. Dr. Závoti, József

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Geometria III.

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Relációk Függvények. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

XIII. Erdélyi Tudományos Diákköri Konferencia Kolozsvár, május 14 16

Bevezetés a kaotikus rendszerekbe

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé.

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

Mechanika - Versenyfeladatok

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Rend, rendezetlenség, szimmetriák (rövidített változat)

Kvantumszimulátorok. Szirmai Gergely MTA SZFKI. Graphics: Harald Ritsch / Rainer Blatt, IQOQI

17. Diffúzió vizsgálata

Lencse típusok Sík domború 2x Homorúan domború Síkhomorú 2x homorú domb. Homorú

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Reális kristályok, rácshibák. Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC

A Föld középpontja felé szabadon eső test sebessége növekszik, azaz, a

Mechanika Kinematika. - Kinematikára: a testek mozgását tanulmányozza anélkül, hogy figyelembe venné a kiváltó

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

KÁOSZKÍSÉRLETEK A KÖZÉPISKOLAI FIZIKA OKTATÁSÁBAN CHAOS EXPERIMENTS IN HIGH SCHOOL PHYSICS EDUCATION

RE 1. Relációk Függvények. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

Mechanika I-II. Példatár

Matematika szóbeli érettségi témakörök 2016/2017-es tanév őszi vizsgaidőszak


Rezgések és hullámok

Rezgőmozgás, lengőmozgás

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Térbeli transzformációk, a tér leképezése síkra

TANULÓI KÍSÉRLET (45 perc)

Inverz Laplace-transzformáció. Vajda István március 4.

Halmazelméleti alapfogalmak

Geometriai Optika (sugároptika)

DR. DEMÉNY ANDRÁS-I)R. EROSTYÁK JÁNOS- DR. SZABÓ GÁBOR-DR. TRÓCSÁNYI ZOLTÁN FIZIKA I. Klasszikus mechanika NEMZETI TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

Egybevágósági transzformációk

Elektromágneses hullámok - Interferencia

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

Vizsgatémakörök fizikából A vizsga minden esetben két részből áll: Írásbeli feladatsor (70%) Szóbeli felelet (30%)

Géprajz - gépelemek. AXO OMETRIKUS ábrázolás

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Mindent olyan egyszerűvé kell tenni, amennyire csak lehet, de nem egyszerűbbé. (Albert Einstein) Halmazok 1

Mozgatható térlefedő szerkezetek

A Planck-eloszlásokról és a fényforrások ekvivalens színhőmérséklet -eiről Erbeszkorn Lajos

IQ-Fighter. Lokális bajnokság E2 kiadása

A tér lineáris leképezései síkra

Julia halmazok, Mandelbrot halmaz

1. tétel. Valószínűségszámítás vizsga Frissült: január 19. Valószínűségi mező, véletlen tömegjelenség.

SZAKÁLL SÁNDOR, ÁsVÁNY- És kőzettan ALAPJAI

Hullámoptika II.Két fénysugár interferenciája

Vezetők elektrosztatikus térben

Speciális mozgásfajták

ALAPFOGALMAK 1. A reláció az program programfüggvénye, ha. Azt mondjuk, hogy az feladat szigorúbb, mint az feladat, ha

Optika fejezet felosztása

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Numerikus módszerek 1.

OPTIKA. Gömbtükrök képalkotása, leképezési hibák. Dr. Seres István

ÉRDEKES KAOTIKUS MECHANIKAI RENDSZEREK INTERESTING CHAOTIC MECHANICS SYSTEMS

FIZIKA I. RÉSZLETES VIZSGAKÖVETELMÉNYEK

Fény, mint elektromágneses hullám, geometriai optika

Rövid ismertető. Modern mikroszkópiai módszerek. A mikroszkóp. A mikroszkóp. Az optikai mikroszkópia áttekintése

MŰSZERTECHNIKA Gépészmérnöki BSc Felkészülési kérdések és válaszok a ZH-hoz

Gráfelméleti alapfogalmak-1

Nemlineáris jelenségek és Kao2kus rendszerek vizsgálata MATHEMATICA segítségével. Előadás: Szerda, 215 Labor: 16-18, Szerda, 215

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1 Klasszikus mechanika

Egy érdekes mechanikai feladat

Ellenőrző kérdések a Jelanalízis és Jelfeldolgozás témakörökhöz

Ha vasalják a szinusz-görbét

A dinamikus geometriai rendszerek használatának egy lehetséges területe

Grafikonok automatikus elemzése

Hatványsorok, Fourier sorok

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Szakmai nap Nagypontosságú megmunkálások Nagypontosságú keményesztergálással előállított alkatrészek felület integritása

KÉMIA KÖZÉPISKOLA DEMETER LÁSZLÓ A NEMZETI ALAPTANTERVHEZ ILLESZKEDŐ TANKÖNYV, TANESZKÖZ ÉS NEMZETI KÖZOKTATÁSI PORTÁL FEJLESZTÉSE

Rugalmas állandók mérése

Gépészmérnöki alapszak Mérnöki fizika ZH NÉV: október 18. Neptun kód:...

Átírás:

A RÉSZ ÉS AZ EGÉSZ: A RÉSZEK VISZONYA AZ EGÉSZHEZ A KÁOSZJELENSÉGEKBEN ÉS A HOLOGRAMBAN THE PART AND THE WHOLE: RELATIONS BETWEEN THE DETAILS OF THE PARTS AND THE WHOLE IN PHENOMENA OF CHAOS AND IN HOLOGRAMS Meszéna Tamás Ciszterci Rend Nagy Lajos Gimnáziuma, Pécs az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS A káoszjelenségek ábrázolásánál gyakran kerülnek elő fraktálok, amelyek az önhasonlóság tulajdonságával rendelkeznek. Az grafikon nagyságrendileg különböző mérettartományokban vizsgált részleteiben alapvetően azonos szerkezet figyelhető meg. Azzal az érdekes jellemzővel találkozunk itt, hogy az objektum egy része lényegében egyenértékű az eredeti egésszel. Hasonló tulajdonságot figyelhetünk meg a hologramnál, ahol egy kis részletből az egész kép rekonstruálható, azonban a két jelenség mégis lényegesen különbözik. BEVEZETÉS A klasszikus fizika a legegyszerűbb mozgásoktól indulva tárgyalja a bonyolultabb, még mindig szabályos mozgásfajtákat. A kaotikus mozgást a szabályossal összehasonlítva azt mondhatjuk, ennek fő jellemzői, hogy szabálytalan, előre jelezhetetlen, a kezdeti feltételekre rendkívül érzékeny és bonyolult geometriájú. A fizikában az egyszerű, periodikus és a zajszerű mozgások között helyezkedik el a kaotikus mozgás. Egyik definíciója szerint: a káosz az egyszerű rendszerek bonyolult viselkedése. [1] Ilyen mozgást végez például a kettős lejtőn pattogó labda, a rugalmas fonálon lengő inga, rezgő lemezen pattogó labda, stb. Ezeket a mozgásokat nem a megszokott módon, pl. kitérésidő függvénnyel célszerű ábrázolni, hanem mintavételezéssel. Leképezést hozunk létre, ilyenkor a mozgást egy fraktál tulajdonsággal rendelkező ábra jellemzi. (1. ábra) 1. ábra. Rezgetett inga mozgásához tartozó kaotikus attraktor a rezgés periódusával vett leképezésen. [1]. 306

Kaotikus attraktor: súrlódásos rendszerben a kaotikus mozgás fázistérben történő ábrázolásakor a mozgás egy jellegzetes, jól felismerhető, általában bonyolult geometriai szerkezetre húzódik rá, vonzódik oda. Ezt nevezzük kaotikus attraktornak. A rezgetett inga leképezését úgy kaptuk, hogy a gerjesztési periódusnak megfelelő időközönként ránézünk a rendszerre, és rögzítjük a mozgás hely-, és sebességkoordinátáit (vízszintes, illetve függőleges tengely). Ez egyszerre egy pontot eredményez, majd az eljárást több ezer, vagy több tízezer perióduson keresztül folytatva kirajzolódik a mozgásra jellemző szerkezet. A kaotikus mozgást jellemző ábrának most arra a tulajdonságára szeretném felhívni a figyelmet, amit az önhasonlóság fogalmával szoktunk leírni. Ez azt jelenti, hogy ha az ábra tetszőleges, nagyobb, kisebb, vagy még kisebb részét választjuk ki, az adott rész szerkezete lényegében azonos marad. Az önhasonlóság nem jelent geometriai egybevágóságot vagy akár egyszerű nagyítást-kicsinyítést, csak egyértelműen felismerhető hasonló szerkezeti felépítést. A kinagyított részlet azonban időnként hasonlít az eredeti, teljes ábrára. A nagyítás tetszőlegesen tovább folytatható, s mindig ugyanazt a hasonlóságot fogjuk tapasztalni (2. ábra). A téglalapok oldalán látható skála mutatja a nagyítás mértékét. 2. ábra. Önhasonlóság a felső képen látható kaotikus attraktoron [1]. A felső ábra attraktora H+ fixpontja körüli téglalapról készített harmincszoros nagyítás, illetve az ezen pont köré rajzolt kis téglalap további tízszeres nagyítása. Bizonyos mechanikai rendszerekben súrlódás hatására hosszú idő után periodikus vagy kaotikus mozgás alakul ki. Bifurkációnak nevezzük a rendszer egy paraméterének megváltoztatásakor az egyensúlyi helyzetek kettéválását, sokszorozódását. A bifurkációs diagram (3. ábra, bal oldal) önhasonlóságát az egyes kinagyított részletek (3. ábra, jobb oldali képek) szemléltetik. Az ábra belsejében látható téglalap nagyított képe jelenik meg mindig a következő ábrán, mely a skála értékekről ellenőrizhető. 307

3. ábra. A bifurkációs diagram önhasonlósága. A pontozott tartomány kaotikus attraktor jelenlétére utal. [2]. Ez a tulajdonság a rész és egész kapcsolatának egészen újszerű megjelenési formája. Mindegyik esetben azzal találkozunk, hogy a rész bizonyos értelemben nem kevesebb az egésznél, hanem valamilyen módon egyenértékű vele. Az önhasonlóságnak ez a megjelenési módja hasonlít a végtelen elemszámú halmazoknak ahhoz a tulajdonságához, hogy a halmaznak van önmagával ekvivalens valódi részhalmaza. A jelenség egyrészt tehát a végtelenhez kötődik, másrészt pedig egy speciális szerkezetet is jelent. HOLOGRAM A holográfia (kezdete Gábor Dénes 1947-es kísérleteihez köthető, majd működő lézer hologramot Emmett N. Leith és Juris Upatnieks hozott létre 1963-ban) olyan képrögzítési eljárás, ami a tárgy térbeli tulajdonságait tartalmazó fényhullám fázisát is rögzíti. A lézer koherens fényével megvilágított tárgyról visszaverődő fényhullámok éppen a tárgy térbeli alakja következtében tolódnak el egymáshoz képest, és így őrződik meg a térforma. A fényérzékeny lemezen a tárgyról visszaverődő és az eredeti hullám interferenciáját rögzítik. Mivel az interferencia rendkívül érzékeny a fázisra, az erősítés és kioltás között mindössze fél hullámhossznyi az eltérés, a rögzített interferencia kép tartalmazza a tárgy térbeli alakjára vonatkozó információkat. A 4. ábrán megfigyelhetjük az L lézerfény két részre osztását, majd a referencia sugár (rs) és a tárgyról visszaverődő hullám (ts) találkozását a H hologramon (fényérzékeny lemezen) különböző összeállításokban. 308

4. ábra. Az átlátszatlan tárgyról készített hologram elvi vázlata különböző a)-d) elrendezésekben. [3]. Ezt a fényérzékeny lemezre rögzített interferencia képet nevezte el Gábor Dénes hologramnak. Azért igazán zseniális az ötlet, mert a tárgy térbeli alakjára vonatkozó információt nemcsak tárolja, hanem a képet vissza is nyerhetjük belőle. Ha a hologramot az eredeti lézer hullámmal világítjuk meg, akkor a tárgyhullám is rekonstruálódik (a hologramon átjutó fény gyakorlatilag megegyezik az eredeti, a tárgyról érkező fénnyel), így létrejön a tárgynak a háromdimenziós képe. A jelenséget az teszi rejtelmesebbé az egyszerű szemlélő számára, hogy a hologram lemezen látható kép ránézésre nem hasonlít az eredeti tárgyra, a lemezen előhívás után a tárgy szerkezetétől függően egyszerűbb vagy összetettebb vonalrendszer látható (5. ábra). Ugyanez a vonalrendszer figyelhető meg a nehezen előállítható lézer hologram helyett a digitális hologramon is, ahol a képet számítógéppel számíttatjuk ki, és rajzoltatjuk meg (6. ábra). 5. ábra. Első holografikus rekonstrukció [4]. 6. ábra. Egyszerű digitális hologram [5]. A hologram sajátos tulajdonsága, hogy mivel a tárgy minden pontjából érkezik fény a hologram minden pontjára, ezért a hologram minden részlete önmagában is tartalmazza az összes információt a tárgyról. Így ha a hologramnak csak egy részletét világítjuk meg a lézer fénnyel, akkor is a teljes tárgyat látjuk, csak fényben szegényebb a kép, hiszen kevesebb fény hozza létre, illetve a kontúrok válnak elmosódottabbá. Ennek csak a fényérzékeny lemez felbontó képessége szab határt. Így a hologram nemcsak abban különbözik a hagyományos fényképtől, hogy háromdimenziós, hanem ha egy hologramot kettévágunk, akkor mindkét felet felhasználva az egész képet kaphatjuk vissza (7. ábra). A 7. ábrát egyszerre értelmezhetjük, mint a hologram lemez, vagy az általa előállított kép, amit a valóságban nem látunk így, de az említett 309

tulajdonságot mégis szemléltetni lehet vele. Ezt a nagyszerű lehetőséget a szerelmes párok összetartozásának megörökítésére a kereskedelem valószínűleg csak azért nem használta ki eddig, mert a hologram készítés még mindig elég körülményes és drága. 7. ábra. Sematikus illusztrálása annak a tulajdonságnak, hogy a hologram egy részletéből az egész kép rekonstruálható [6]. A RÉSZ ÉS AZ EGÉSZ Werner Heisenberg híres önéletrajzi könyvében az atomfizika fejlődéséről gondolkodva jut el a címben is jelzett filozofikus gondolatokig. A rész és egész kapcsolata érdekes új megvilágításba kerül a két vizsgált területen, melyekre a kvantummechanika kialakulása idején még senki sem gondolhatott. A hologram esetében, és a káoszban megfigyelt önhasonlóság annyiban közös, hogy az egész egy része mindkét esetben lényegében egyenértékű az egésszel. (Az önhasonlóság mindkét esetben, bár különböző okból, de egészen kis skálán elromlik.) Ez az egyenértékűség azonban a hologramban más jellegű, mint a kaotikus mozgásnál, mivel itt nem a szemmel felismerhető hasonló szerkezetről van szó. A hologram egy részlete nem feltétlenül hasonlít az egész hologramhoz. (Bár egy összetett test hologramja olyan mértékben áttekinthetetlen, hogy hasonlónak is gondolhatjuk a részletet az egésszel, de ez lényegesen különbözik a kaotikus attraktor önhasonlóságától.) Említettük, hogy a hologram az eredeti képhez sem hasonlít, ennek ellenére a hologram részletéből is a teljes kép rekonstruálódik. ÖSSZEGZÉS Káoszjelenségek esetén, illetve a hologramnál vizsgáltuk a részek viszonyát az egészhez. Mindkét estben igaz, hogy a részekre bontás önmagában nem elegendő a jelenség megértéséhez, mivel a kisebb részlet nem egyszerűbb az egésznél. Olyan példákat láthatunk, melyek a világ megismerésének új megközelítését igénylik: egészben kell megragadnunk és megértenünk a folyamatot. Ennek szükségességét az említett példák jól alátámasztják, így az oktatásban is bátran használhatóak. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönöm témavezetőimnek, Gruiz Mártonnak és Tél Tamásnak építő kritikai segítségüket. IRODALOMJEGYZÉK 1. Tél T, Gruiz M: Kaotikus dinamika, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2002. 2. Fokasz N: Káosz és fraktálok, Új Mandátum Könyvkiadó Budapest, 2000 3. http://www.vilaglex.hu/lexikon/html/holograf.htm 4. http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0006/gdenes.html 5. http://goliat.eik.bme.hu/~gombkoto/digiholo.html 6. http://science.howstuffworks.com/hologram.htm 310